機(jī)械故障診斷課程的教學(xué)研究與實踐

鞏曉赟 侯俊劍 馬建榮

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州450002）

機(jī)械設(shè)備涉及電力、石油、化工、煤礦、航空、鐵路等行業(yè)領(lǐng)域，種類繁多。機(jī)械故障診斷課程是一門涉及面很廣、應(yīng)用性強(qiáng)的專業(yè)課程。該課程的主要任務(wù)是研究如何對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障分析、運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測、以及對設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化，并通過專家診斷系統(tǒng)對運(yùn)行的設(shè)備作出推斷與決策。因此，這門課程對設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性和可維護(hù)性具有極其重要的意義[1]。

機(jī)械故障診斷課程是面向機(jī)械專業(yè)的學(xué)生開設(shè)的專業(yè)選修課，該課程涉及機(jī)械工程、信息工程、控制工程、力學(xué)及儀器科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科內(nèi)容，融合了不同學(xué)科的理論、方法與手段；另外隨著機(jī)械設(shè)備日趨大型化、高速化、集成化和自動化，對機(jī)械設(shè)備的檢測與診斷要求也逐漸多元化。所以針對不同機(jī)械設(shè)備故障檢測的特點，本課程對每章節(jié)的教學(xué)研究內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，同時進(jìn)一步對教學(xué)方法進(jìn)行多元化的改進(jìn)。

一、教學(xué)過程需要解決的問題

1.學(xué)生對診斷和維修的認(rèn)識誤區(qū)

學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前，普遍認(rèn)為故障診斷就是車間工人拿個錘子滿手油污地到處敲打，學(xué)生對現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的診斷方法和技術(shù)認(rèn)識存在很大誤區(qū)。

2.基礎(chǔ)課程與工程應(yīng)用的銜接不足

機(jī)械故障診斷課程屬于交叉性學(xué)科，涉及機(jī)械原理、控制理論、傳感器以及信號分析等基礎(chǔ)課程的知識，本課程需要將多門專業(yè)基礎(chǔ)課的知識串聯(lián)起來，是所學(xué)基礎(chǔ)課程的綜合應(yīng)用。如何改進(jìn)教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步把握基本理論與實踐應(yīng)用的有機(jī)性和整體性是需要解決的問題。

3.實踐認(rèn)識的匱乏

機(jī)械故障診斷課程的主要診斷對象是企業(yè)或工廠中的自動化關(guān)鍵設(shè)備，目前學(xué)生工程背景尚有欠缺，技術(shù)知識尚不完整，在課程教學(xué)過程中，應(yīng)探索如何根據(jù)學(xué)生的實際情況進(jìn)行案例講解和實驗分析。

二、教學(xué)內(nèi)容的探析與實踐

1.教材的選擇

中國工程院院士謝友柏說[2]：“要了解一個領(lǐng)域，并且想進(jìn)入這個領(lǐng)域，最好的辦法就是先找一本這個領(lǐng)域的經(jīng)典著作，老老實實地讀完，不僅要掌握書中闡述的基本概念，還要弄懂書中介紹的基本理論，學(xué)好書中采用的基本方法，了解問題的本質(zhì)?！贬槍C(jī)械故障診斷領(lǐng)域還不熟悉的本科生，一本好的教材可以起到拋磚引玉的效果，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證。

針對本科生的機(jī)械故障診斷教材，目前主要有兩類，一類是以理論為基礎(chǔ)的經(jīng)典型教材；另一類是包含新理論、新方法的分析型教材。經(jīng)典教材的優(yōu)勢是具有深厚的理論基礎(chǔ)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性，但隨著新材料、新技術(shù)和新儀器的層出不窮，經(jīng)典教材還沒有做到與時俱進(jìn)，比如點檢數(shù)據(jù)采集時，目前大部分采用的是便攜式多功能智能采集儀，但經(jīng)典教材中更多出現(xiàn)的是磁帶記錄儀進(jìn)行測試記錄。如果單純地以經(jīng)典教材為教學(xué)內(nèi)容，會讓學(xué)生感到枯燥無味，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，新穎型教材雖然在基本理論方面不如經(jīng)典教材，但這種教材的內(nèi)容體現(xiàn)了理論的前瞻性，有利于學(xué)生學(xué)到前沿理論知識和最新實踐發(fā)展動態(tài)，有利于激發(fā)學(xué)生求知的熱情和培養(yǎng)廣泛的興趣。所以應(yīng)在強(qiáng)化經(jīng)典教材的同時，增加包含最新發(fā)展動態(tài)的補(bǔ)充教材 （這些補(bǔ)充教材多以電子教材為主），以方便學(xué)生更好地跟蹤現(xiàn)代機(jī)械故障診斷領(lǐng)域的前沿技術(shù)和研究熱點。

2.教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

在教學(xué)環(huán)節(jié)中，應(yīng)時刻注意以學(xué)生為中心，講授以引導(dǎo)為主，并以培養(yǎng)學(xué)生把所學(xué)到的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用能力為主要任務(wù)。在教學(xué)內(nèi)容上，具體實施策略如下。

第一，以專業(yè)特色為研究對象來設(shè)置課程內(nèi)容。不同高校的機(jī)械專業(yè)根據(jù)該校的專業(yè)特色和研究方向的不同，講授內(nèi)容的側(cè)重點也會有一定的差異性，因此根據(jù)機(jī)械類具體專業(yè)的特點，講授內(nèi)容也應(yīng)有所調(diào)整。如針對機(jī)械類的測控專業(yè)，課程內(nèi)容以關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測診斷技術(shù)和實施方案為主線進(jìn)行展開；而對機(jī)械設(shè)計專業(yè)的本科生，則應(yīng)更側(cè)重于機(jī)械設(shè)備的主要故障模式和故障機(jī)理，為設(shè)備的動態(tài)性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。所以在教學(xué)設(shè)計中，不能單單以教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性為目標(biāo)，更要與學(xué)生的實際情況相結(jié)合。

第二，機(jī)械故障診斷課程涉及多學(xué)科內(nèi)容，知識綜合性強(qiáng)，聯(lián)系工程實際緊密，故案例教學(xué)是機(jī)械故障診斷課程必不可少的環(huán)節(jié)。在課堂教學(xué)中融入案例教學(xué)時，一定要提前備好課，使分析的案例能夠貫通本節(jié)課的理論知識。在具體的案例教學(xué)中，可將教材中的案例和實際所做項目中的一些案例相結(jié)合。根據(jù)專業(yè)特點，有主有次，讓學(xué)生感覺確實學(xué)有所用，增加學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感，同時培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移和應(yīng)用能力。

第三，增加和更新課程內(nèi)容，適應(yīng)市場和實際發(fā)展的需求?？筛鶕?jù)教師自己的專業(yè)特點與研究方向，將查閱的最新研究動態(tài)和所做的一些研究內(nèi)容補(bǔ)充到課堂教學(xué)中，以拓寬學(xué)生的知識領(lǐng)域，增加學(xué)生的專業(yè)興趣和知識面。通過不斷地調(diào)整課程內(nèi)容，幫助學(xué)生夯實相關(guān)理論基礎(chǔ)，提高應(yīng)用能力，使學(xué)生感受到知識應(yīng)用的廣闊性，縮短他們進(jìn)入社會適應(yīng)崗位的時間。

三、多元化教學(xué)方法的探索

機(jī)械故障診斷課程是基于工程背景下的專業(yè)課程，教學(xué)目標(biāo)包含理論知識的講授和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)兩個方面。讓學(xué)生能夠較好地掌握設(shè)備監(jiān)測與診斷的基礎(chǔ)知識和基本技能，除了教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，更要注重教學(xué)方法的有效性。課程教學(xué)方法改革必須以學(xué)生的知識構(gòu)建為中心，對課程的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位改革，加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的研究[3]。采用由理論到實際、由基礎(chǔ)到綜合、由工程實例到科學(xué)研究的多元化教學(xué)模式，實現(xiàn)以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)宗旨。

1.通過講座介紹課程應(yīng)用背景和熱點問題

由于許多學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械故障診斷課程之前對其課程內(nèi)容的認(rèn)識比較茫然，比如機(jī)械設(shè)計專業(yè)的一些學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前，認(rèn)為該課程就是工人拿個錘子在車間敲敲打打，與機(jī)械設(shè)計專業(yè)聯(lián)系不大。所以在講解課程內(nèi)容的緒論之前，提前通過講座形式對機(jī)械故障診斷的應(yīng)用背景、發(fā)展趨勢以及作者在這方面的研究進(jìn)展進(jìn)行簡要介紹，具體內(nèi)容涉及本課程和其他課程之間有何種聯(lián)系，機(jī)械故障診斷技術(shù)在工程實際中的應(yīng)用與發(fā)展前景，以及國內(nèi)外的研究趨勢等。這樣，使學(xué)生一開始就對機(jī)械故障診斷課程有全面的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械故障診斷課程的興趣，將原來的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)。

為了引導(dǎo)學(xué)生把課堂中學(xué)到的知識與機(jī)械故障診斷的熱點問題聯(lián)系起來進(jìn)行探究，在課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的中后期插入學(xué)生感興趣的熱點講座，比如在講座中列舉于2015年3月6日在國防科技雜志發(fā)表的 《美軍武器裝備維修與保障的現(xiàn)狀及其啟示》一文，該文詳細(xì)講解了信息化時代武器裝備保障的新特點，美國目前采樣的主要維修保障策略和方式等內(nèi)容，使學(xué)生得到武器裝備的維修保障能力是戰(zhàn)斗力生成的“倍增器”的啟示，這樣學(xué)生可以看到機(jī)械故障診斷課程的內(nèi)容不僅僅用于生產(chǎn)企業(yè)，以美國為代表的世界軍事強(qiáng)國也正在大力發(fā)展裝備保障理論和技術(shù)，注重裝備全壽命周期保障的整體設(shè)計。除此之外，還可介紹可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在機(jī)械設(shè)備故障診斷的發(fā)展傾向。通過課前、課中和課后的45分鐘講座，能夠讓學(xué)生在一個更寬廣的視野里解讀設(shè)備監(jiān)測與診斷的問題，擴(kuò)展學(xué)生的知識面，幫助學(xué)生不斷培養(yǎng)創(chuàng)新意識。

2.基于案例的互動教學(xué)

案例分析如果以老師講授的傳統(tǒng)教學(xué)方式為主導(dǎo)，很難調(diào)動學(xué)生的積極性和自發(fā)性[4]。在案例教學(xué)中，可將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障、齒輪故障、軸承故障和電機(jī)故障等不同類型的典型故障，通過教材案例與項目案例的比較，提煉出具有代表性的案例。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生模擬現(xiàn)場工程師參與到案例分析中來，學(xué)生在實施設(shè)備診斷之前，必須對設(shè)備的各個方面有充分的認(rèn)識和了解，就像醫(yī)生治病必須熟悉人體的構(gòu)造一樣，需要對設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)有足夠的了解。學(xué)生通過案例分析，決定測點的選取、測量參數(shù)的確定、傳感器的選擇與安裝，信號分析方法的開展，分析結(jié)果的診斷等。這些內(nèi)容對學(xué)生是很大的挑戰(zhàn)，需要綜合所學(xué)知識，讓學(xué)生提出自己對問題的理解和解決方案。通過討論、啟發(fā)、論辯、角色互換等方式達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、創(chuàng)新思維的目的。

3.基于問題的實驗分析

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)通常是老師在課前將實驗內(nèi)容和實驗步驟預(yù)先設(shè)計好，學(xué)生做實驗時只要按照老師設(shè)計好的實驗步驟完成實驗內(nèi)容即可，在實驗過程中，學(xué)生只是實驗的執(zhí)行者，卻對實驗為何這樣設(shè)計缺少思考。為了讓學(xué)生達(dá)到“知其然也知其所以然”的目的，可對機(jī)械故障診斷課程的實驗進(jìn)行了改進(jìn)。例如，“轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷”是一個典型的驗證型實驗，過去一般都是在課前老師設(shè)定好不平衡質(zhì)量塊的克數(shù)和安裝的角度，學(xué)生只需采集添加不平衡質(zhì)量塊前后的振動信號進(jìn)行診斷分析，結(jié)果驗證比較容易，但對不平衡質(zhì)量塊的克數(shù)和安裝角度的選擇原因卻“不知所以然”。實驗教學(xué)方法改進(jìn)后，在實驗教學(xué)中融入了自主式和問題式教學(xué)，如在“轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷”實驗中，將做實驗的學(xué)生分為4組，實驗方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計如表1所示，具體參數(shù)大小的選擇可由4組學(xué)生共同商量自主選擇，實驗結(jié)束后小組間比較實驗結(jié)果，得出不同參數(shù)下的質(zhì)量不平衡振動特征。針對不同的實驗結(jié)果，學(xué)生有了這樣的疑問：“為什么相同克數(shù)的質(zhì)量塊放在相位30°時，振動強(qiáng)度比平衡狀態(tài)的振動強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，但當(dāng)把質(zhì)量塊放到相位210°時，振動強(qiáng)度反而降低？”通過相位的選擇，學(xué)生對轉(zhuǎn)子的絕對平衡和相對平衡有了直觀的認(rèn)識，同時，對轉(zhuǎn)子不平衡故障特征隨轉(zhuǎn)速的變化而變化也有了更深刻的理解。通過這種基于問題式的實驗教學(xué)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，學(xué)生通過探究條件設(shè)置的不同可以得出不同的實驗結(jié)果，達(dá)到“知其然并知其所以然”的目的，有利于促進(jìn)學(xué)生科研素質(zhì)的提高。

4.教與學(xué)有機(jī)結(jié)合，不斷優(yōu)化教學(xué)方法

教與學(xué)有機(jī)結(jié)合，不斷優(yōu)化教學(xué)方法。在教學(xué)過程中不僅需注重學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，使學(xué)生在實際工作中更具競爭力，同時還要求教師必須具有創(chuàng)新精神和較高的應(yīng)變能力。教師應(yīng)在教學(xué)過程中通過不斷積累新知識，尋求靈活有效的教學(xué)方法，以適應(yīng)專業(yè)和實際需求；同時也可通過學(xué)生提意見的方式，探索新的教學(xué)方法，將教與學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)自身教學(xué)能力的不斷提升。

表1 轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷實驗分組情況

四、結(jié)束語

機(jī)械故障診斷技術(shù)涉及內(nèi)容多，應(yīng)用范圍廣。作為機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，畢業(yè)后從事的崗位大多與機(jī)械設(shè)備密切相關(guān)。機(jī)械故障診斷課程教學(xué)作為機(jī)械工程學(xué)科的專業(yè)課程，是學(xué)生從學(xué)校理論知識向工程實際過渡的橋梁。所以教師在授課過程中應(yīng)將工程實例、科學(xué)研究與課堂教學(xué)相結(jié)合，采用應(yīng)用型教學(xué)與學(xué)術(shù)引導(dǎo)型教學(xué)等多元教學(xué)手段，對教學(xué)內(nèi)容不斷優(yōu)化。經(jīng)過筆者兩年多的實踐，取得了較好的效果。在今后的工作中，筆者還將繼續(xù)實踐、探索基于機(jī)械故障診斷課程的多元化教學(xué)模式，促進(jìn)機(jī)械故障診斷課程的改革。

[1]王國彪，何正嘉，陳雪峰，等.機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)研究“何去何從”[J].機(jī)械工程學(xué)報，2013，49（1）：63-72.

[2]何正嘉，陳進(jìn)，王太勇，等.機(jī)械故障診斷理論及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]陳國棟，何欽銘，張聰.強(qiáng)化過程、深化互動的教學(xué)方法改革[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2013.

[4]周紹萍.面向能力培養(yǎng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷課堂教學(xué)實踐[J].化工高等教育，2013（1）：71-74.